JP6404909B2 - How to calculate the output model of a technical system - Google Patents

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Description

本発明は、技術的な系の出力量であって、入力量ベクトル形式の複数入力量に非線形に依存する出力量のためのモデルを算出する方法に関し、モデルとして、複数のモデルパラメータを有する一つのモデル構造が設定され、これらのモデルパラメータが、技術的な系における試験台実験からの測定出力量に基づいて反復法により最適化され、複数の試験台実験が実験計画に従って遂行され、当該実験計画は、各反復ステップに対して上記モデルの推定出力量からそれぞれ作成される。   The present invention relates to a method for calculating a model for an output quantity of a technical system that is nonlinearly dependent on a plurality of input quantities in an input quantity vector format, and has a plurality of model parameters as a model. One model structure is set, and these model parameters are optimized by an iterative method based on the measured output from the test bench experiment in the technical system, and multiple test bench experiments are performed according to the experiment plan. A plan is created from the estimated output of the model for each iteration step.

多くの技術的な系の出力量は、多次元、非線形で複数のパラメータに依存する。典型的な例が、内燃機関であり、この場合には、例えばNOxの排出、排気ガス中のスス、燃費等といった多くの特性値(出力量)が、回転数、トルク、温度、スロットルバルブの状態、燃料圧力等といった様々な入力量(または動作点)に依存する。一般に、技術的な系(システム)とは、例えば複数のアクチュエータの複数の設定値といった所定数の特定の入力量が、例えば特性値やセンサで測定可能な量といった所定数の特定の出力量を左右し、入力量と出力量との間に何らかの関数的な関係が存在するような系(システム)のことを意味する。このような技術的な系を開発する際に、専ら試験台上でのみ開発を行うことは、かなりの費用がかかる。というのも、種々の入力量に依存しかつ相互依存もする多くの非線形の出力量を最適化するのは、手作業ではなかなかできないことだからである。これは想定され得る一つの開発目標である。そのため、このような技術的な系、つまりは入力量とシステムパラメータに依存する特定の出力量を、幾つかの数学的なモデルにより模倣的に構築することが既に試みられている。これらのモデルに基づくと、入力量の変動やモデルパラメータの変動による影響をシミュレーションして詳しく調べることができ、さらに幾つかの最適化を試みることができ、そしてその後に、例えば試験台でそれらの最適化が検証される。これに関して、いわゆるモデルベース法(モデルベース実験計画法(model based design of experiments))が、例えば特許文献1から公知となっているが、この方法は、数学的な方法及び測定値に基づいて非線形の技術的な系のモデルを同定するというものである。その際には、例えば公知のローカルモデルネットワーク(LMN)や公知の多層パーセプトロン(MLP)等の何らかのモデル構造が選択され、試験台実験(オンライン)から得られるデータに基づいてモデルパラメータが推定される。このとき、上記モデルは、出力量を反復的に生成し、この出力量が実験計画で用いられることにより、次の反復ステップのために新たな入力量が生成され、この新たな入力量が、技術的な系のための試験台において使用を開始される。試験台実験の出力量は、次に、特定の境界条件を考慮して、モデルパラメータを改善するのに用いられる。設定された停止条件を満足するまで、つまり、モデルパラメータが十分正確に推定されたとされるまで、これが繰り返される。その際、モデルパラメータを推定するのに重要なのは、全ての出力範囲において十分なモデル品質を得るために、技術的な系の全てのダイナミックレンジ(Dynamik)と全ての出力範囲を実験計画がカバーすることである。   The output of many technical systems is multidimensional, non-linear and depends on multiple parameters. A typical example is an internal combustion engine. In this case, for example, many characteristic values (output amounts) such as NOx emission, soot in exhaust gas, fuel consumption, and the like are applied to the rotational speed, torque, temperature, throttle valve Depends on various input quantities (or operating points) such as state, fuel pressure, etc. In general, a technical system (system) means that a predetermined number of specific input quantities such as a plurality of set values of a plurality of actuators, for example, a predetermined number of specific output quantities such as a characteristic value or a quantity measurable by a sensor. This means a system in which some kind of functional relationship exists between the input quantity and the output quantity. When developing such a technical system, it is quite expensive to develop exclusively on the test bench. This is because optimizing many non-linear output quantities that depend on various input quantities and also interdependencies is difficult to do manually. This is one development goal that can be envisaged. For this reason, it has already been attempted to imitate such a technical system, that is, a specific output quantity depending on the input quantity and the system parameters by using some mathematical models. Based on these models, the effects of fluctuations in input quantities and model parameters can be simulated and examined in detail, and some optimizations can be attempted, and then, for example, on a test bench Optimization is verified. In this regard, a so-called model-based method (model-based design of experiments) is known from, for example, US Pat. To identify a model of the technical system. In that case, for example, a model structure such as a known local model network (LMN) or a known multilayer perceptron (MLP) is selected, and model parameters are estimated based on data obtained from a test bench experiment (online). . At this time, the model repeatedly generates an output amount, and this output amount is used in the experimental design to generate a new input amount for the next iteration step. Began use on test benches for technical systems. The output of the test bench experiment is then used to improve the model parameters taking into account specific boundary conditions. This is repeated until the set stopping condition is satisfied, that is, until the model parameters are estimated sufficiently accurately. In doing so, what is important for estimating the model parameters is that the experimental design covers all dynamic ranges (Dynamics) and all output ranges of the technical system in order to obtain sufficient model quality in all output ranges. That is.

しかし、技術的な系の多くの特性値は、特定の範囲においてのみ重要である。それは、何か法律が存在してその法律が特性値に対して特定の変数領域において規準を設けているといった理由であれ、あるいは、或る特性値は特定の変数領域においてのみ説得力があるといった理由であれ、理由は何にしてもである。その典型的な例が、内燃機関のNOx排出やススの排出であり、これらは、内燃機関の特定の運転範囲において、立法機関により定められた制限値を守らなければならない。従って、このような特性値のモデルは、上記の目標とする出力範囲(目標出力範囲)(Zielausgangsbereich)内だけは正確でなければならないだろうが、取り得る全ての出力の範囲に対してまではその必要がない。   However, many characteristic values of technical systems are important only in a certain range. The reason is that there is a law and the law sets a standard for a characteristic value in a specific variable area, or that a certain characteristic value is persuasive only in a specific variable area. Whatever the reason, why. Typical examples are NOx emissions and soot emissions of internal combustion engines, which must comply with limits set by legislative engines in specific operating ranges of internal combustion engines. Therefore, the model of such a characteristic value will have to be accurate only within the above-mentioned target output range (target output range) (Zielousgangsberich), but not to all possible output ranges. That is not necessary.

しかしながら、特許文献1に係る、モデルに基づいて(モデルベースで)モデルを同定する方法は、モデルを構築はするものの、それは全ての出力範囲に対して有効なものであり、そのことが一方で、高いコスト、それも特に、必要な試験台実験のためのコストにつながっている。他方、モデルを同定する際に少なすぎる訓練データしか目標出力範囲で使われなかったがために、事もあろうに目標出力範囲では十分正確とは言えない結果をモデルが出してくることがあり得る。そのため、このようなモデルは、上記の目標出力範囲に対しては限られた条件でしか使うことができない。   However, the method of identifying a model based on a model (on a model basis) according to Patent Document 1 is effective for the entire output range, although the model is constructed. High cost, which has also led to the cost for the necessary test bench experiments in particular. On the other hand, because too little training data was used in the target output range to identify the model, the model might produce results that are not accurate enough in the target output range, of course. obtain. Therefore, such a model can be used only under limited conditions for the target output range.

非特許文献1より、メタモデルが狭い目標範囲付近で出力量をできるだけ正確に推定するように実験計画を作成する方法が明らかになっている。メタモデルとしてクリギングモデルが用いられ、目標範囲は等高線(Konturlinie)として定められる。そのため、当該モデルは、等高線近傍では極めて正確に推定することにはなるものの、この方法が適さないような、もっと大きな目標出力範囲内になるとそうは行かない。この方法では、逐次実験計画法が適用され、新たな入力量は、既知の入力量及びそれに対応して算出された出力量の双方に依存した最適化基準に従って選択される。そのため、この方法は試験台実験なしで済まされる。従って、この方法の目的は、実際の系(実システム)における試験台実験からの正確な測定値に基づいて最適化を行なうというのでもなく、むしろ、設定された等高線に或る関数をフィッティングすることにある。   Non-Patent Document 1 reveals a method of creating an experiment plan so that the output amount is estimated as accurately as possible in the vicinity of a target range where the metamodel is narrow. A Kriging model is used as the meta model, and the target range is defined as a contour line. Therefore, although the model can be estimated very accurately in the vicinity of the contour line, it does not do so when it is within a larger target output range where this method is not suitable. In this method, a sequential experiment design method is applied, and a new input quantity is selected according to an optimization criterion that depends on both the known input quantity and the output quantity calculated correspondingly. Therefore, this method can be done without a test bench experiment. Therefore, the purpose of this method is not to perform optimization based on accurate measurements from test bench experiments in an actual system (actual system), but rather to fit a function to the set contours. There is.

国際公開第2012/163 972号International Publication No. 2012/163 972

Picheny, V., et al., ?Adaptive Designs of Experiments for Accurate Approximation of a Target Region“, Journal of Mechanical Design, Vol. 132, Juli 2010, 071008−1 − 071008−9Picheny, V.M. , Et al. ,? Adaptive Designs of Experiments for Accurate Application of a Target Region ", Journal of Mechanical Design, Vol. Hametner, C., et al., ?Local model network identification for online engine modelling“, 2013, Information Sciences 220 (0), S.210−225Hametner, C.I. , Et al. ,? Local model network identification for online engine modeling ", 2013, Information Sciences 220 (0), S.210-225.

本発明の課題は、技術的な系の出力量に関するモデルを算出する方法であって、最適化のために試験台実験が用いられ、その方法で試験台実験にかかるコストができるだけ少なくて済み、推定モデルが大きな目標出力範囲で高い精度を有するような方法を提供することにある。   An object of the present invention is a method for calculating a model related to the output amount of a technical system, in which a test bench experiment is used for optimization, and the cost for the test bench experiment can be minimized as much as possible. The object is to provide a method in which the estimation model has high accuracy in a large target output range.

この課題は、現行の反復ステップに効力を持つ有効なモデルを用いて一定数の入力量ベクトルの集合から一定数の出力量の集合を算出し、これら出力量の集合から、設定された目標出力量範囲内の出力量をもたらすような目標入力量ベクトルを特定し、この特定された目標入力量ベクトルから、次の反復ステップのために、新たな入力量ベクトルを選択して上記の入力量ベクトルの集合を補い、このときに、この新たな入力量ベクトルを、距離に基づいて予め定められた選択基準に従って選択し、このようにして拡張された、選択された入力量ベクトルによる集合を実験計画として用いることで、試験台実験により出力量の測定データを生成し、これらの測定データを用いてモデルを最適化するとともに、設定された停止条件が満たされるまで上記の方法ステップを反復的に繰り返すことにより解決される。この方法により、或る定められた目標出力量範囲においてモデルが的を絞って訓練されるので、試験台実験がより少なくて済み、それにもかかわらず目標出力量範囲内では極めて高い精度を達成することができる。   This task calculates a set of output quantities from a set of input quantity vectors using a valid model that is effective for the current iteration step, and sets the target output from the set of output quantities. A target input quantity vector that yields an output quantity within the competence range is identified, and from the identified target input quantity vector, a new input quantity vector is selected for the next iteration step, and the above input quantity vector is selected. At this time, this new input quantity vector is selected according to a predetermined selection criterion based on the distance, and the set by the selected input quantity vector thus expanded is experimentally designed. As a result, the measurement data of the output amount is generated by the test bench experiment, the model is optimized using these measurement data, and the set stop condition is satisfied. It is solved by repeating the above method steps iteratively. In this way, the model is targeted and trained in a defined target output range, so fewer test bench experiments are achieved, yet nevertheless achieving very high accuracy within the target output range. be able to.

距離に基づいた選択基準は、入力量範囲における基準、出力量範囲における基準又は入力/出力量範囲における基準を考慮の対象としている。   The selection criterion based on distance takes into account the reference in the input amount range, the reference in the output amount range, or the reference in the input / output amount range.

モデル構造としてローカルモデルネットワークを用いることが特に好ましいことが判明した。というのも、この方法は、計算コストが少ししかかからず、技術的な系について既存の知識が活用でき、ロバストな方法で実験計画に使えるモデルパラメータが導かれるからである。   It has proved particularly preferable to use a local model network as the model structure. This is because this method requires only a small calculation cost, can utilize existing knowledge about technical systems, and derives model parameters that can be used for experiment planning in a robust manner.

以下に、本発明について図1乃至10に基づいて詳細に説明するが、これら図面は、例として概略的に、しかも限定を伴うことなく発明の有利な実施形態を示すものである。図は、以下のものを示す。   In the following, the present invention will be described in detail on the basis of FIGS. 1 to 10, which show schematically advantageous embodiments of the invention by way of example and without limitation. The figure shows:

本発明による方法のフローの概略図である。Fig. 2 is a schematic diagram of the flow of the method according to the invention. 本発明による方法の、入力/出力量範囲における、距離に基づいた選択基準に関する異なる繰り返しステップを示す図である。FIG. 4 shows different iteration steps for a distance-based selection criterion in the input / output quantity range of the method according to the invention. 本発明による方法の、入力/出力量範囲における、距離に基づいた選択基準に関する異なる繰り返しステップを示す図である。FIG. 4 shows different iteration steps for a distance-based selection criterion in the input / output quantity range of the method according to the invention. 本発明による方法の、入力/出力量範囲における、距離に基づいた選択基準に関する異なる繰り返しステップを示す図である。FIG. 4 shows different iteration steps for a distance-based selection criterion in the input / output quantity range of the method according to the invention. モデルを同定する従来の方法を用いた様々な選択基準の比較を示す図である。FIG. 6 shows a comparison of various selection criteria using a conventional method for identifying models. モデルを同定する従来の方法を用いた様々な選択基準の比較を示す図である。FIG. 6 shows a comparison of various selection criteria using a conventional method for identifying models. モデルを同定する従来の方法を用いた様々な選択基準の比較を示す図である。FIG. 6 shows a comparison of various selection criteria using a conventional method for identifying models. モデルを特定する従来の方法を用いた場合と、様々な選択基準を用いた場合との平均二乗誤差の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the mean square error at the time of using the conventional method which specifies a model, and the case where various selection criteria are used. 内燃機関のNOx排出に関するモデルを算出する上での本発明による方法の適用について示す図である。It is a figure which shows about application of the method by this invention in calculating the model regarding NOx discharge | emission of an internal combustion engine. 内燃機関のNOx排出に関するモデルを算出する上での本発明による方法の適用について示す図である。It is a figure which shows about application of the method by this invention in calculating the model regarding NOx discharge | emission of an internal combustion engine.

本発明による方法について、先ずは、或るモデル構造を持つ一つのモデルを選択する必要がある。そのモデル構造を用いて、特性値つまりは特定の入力量に依存した出力量についての技術的な系の振る舞いが推定されなければならない。本方法の以下の記載は、いわゆる公知のローカルモデルネットワーク(local model network, LMN)に基づいて説明がなされる。もっとも、本方法は、同じようにして他の公知のモデル構造、例えば、多層パーセプトロン、サポートベクターマシン、あるいはガウス過程に置き換えることができる。ローカルモデルネットワークは、より低額な電子計算機費用、技術的な系の既存知識の利用可能性及びロバストな方法で実験計画に使えるモデルパラメータの点で優れており、それ故に本発明による方法に特に適している。こういうわけで、以下に、モデル構造として、ローカルモデルネットワーク(LMN)に基づいて発明を説明する。   For the method according to the invention, it is first necessary to select one model with a certain model structure. Using the model structure, the behavior of the technical system with respect to the characteristic value, ie the output quantity depending on the specific input quantity, must be estimated. The following description of the method will be described on the basis of a so-called local model network (LMN). However, the method can be similarly replaced with other known model structures, such as multilayer perceptrons, support vector machines, or Gaussian processes. Local model networks are superior in terms of lower computer costs, the availability of existing knowledge of technical systems and model parameters that can be used to design experiments in a robust manner and are therefore particularly suitable for the method according to the invention. ing. For this reason, the invention will be described below based on a local model network (LMN) as a model structure.

ローカルモデルネットワーク(LMN)は、次のI個の局所モデルから構成される。   The local model network (LMN) is composed of the following I local models.

Figure 0006404909
Figure 0006404909

(以下、本明細書において、文字上の∧の記号は文字の右肩に記載する場合もある。) (Hereinafter, in this specification, the ∧ symbol on the character may be written on the right shoulder of the character.)

これらは、局所的にのみ、つまり特定の入力量に対してのみ効力を持つ。ここで、uは、全ての入力量を含む、技術的な系のn次元の入力量ベクトルを指し、θは、j番目の局所モデルのモデルパラメータである。ここで、局所モデルy^(u;θ)は、交互作用項を有する二次重回帰モデルであるが、ただし、例えば、線形ないし三次の重回帰モデルといった、局所モデルに関する他のモデル構造も用いることができる点に留意すべきである。ローカルモデルネットワークの出力y^(u)は、局所モデルy^(u;θ)の出力の重み付け和であり、系の出力に関する推定値である。そのために、次の効力関数(Gueltigkeitsfunktion)を定義する。 They are only effective locally, ie only for certain input quantities. Here, u indicates an n-dimensional input quantity vector of a technical system including all input quantities, and θ j is a model parameter of the jth local model. Here, the local model y ^ j (u; θ j ) is a quadratic multiple regression model having an interaction term. However, other model structures related to the local model, such as a linear or cubic multiple regression model, for example. Note that can also be used. The output y ^ (u) of the local model network is a weighted sum of the outputs of the local model y ^ j (u; θ j ) and is an estimated value related to the output of the system. For this purpose, the following efficacy function is defined.

Figure 0006404909
Figure 0006404909

(以下、本明細書において、文字上の〜の記号は文字の右肩に記載する場合もある。) (Hereinafter, in this specification, the symbol “˜” on the character may be written on the right shoulder of the character.)

この効力関数は、局所モデルy^(u;θ)の効力範囲(有効な範囲)を規定し、xは、入力量ベクトルuの選択された入力量を意味する。こうして、ローカルモデルネットワークy^(u)の出力は、よく知られているように次式になる。 This efficacy function defines the efficacy range (effective range) of the local model ^ j (u; θ j ), where x ~ means the selected input quantity of the input quantity vector u. Thus, as is well known, the output of the local model network y ^ (u) is

Figure 0006404909
Figure 0006404909

ローカルモデルネットワーク(LMN)は、入力量uと技術的な系の出力量yとの関係を推定するために、訓練データ(Trainingsdaten)を必要とする。訓練ユニット2内での訓練によって、モデルパラメータθの他に、局所モデルy^(u;θ)の数I及びその効力関数Φ(x)も特定することができる。このこと自体は、非特許文献2から十分に分かることなので、ここでは詳細には立ち入らない。訓練データは、以下に図1に基づいて説明されるようにして作成される実験計画に由来するものである。 The local model network (LMN) requires training data (Training data) in order to estimate the relationship between the input quantity u and the technical system output quantity y. By training in the training unit 2, in addition to the model parameter θ j , the number I of the local models y ^ j (u; θ j ) and the effectiveness function Φ j (x ˜ ) can be specified. This itself is sufficiently understood from Non-Patent Document 2, and will not be described in detail here. The training data is derived from an experimental design created as described below with reference to FIG.

前提となるのは、全ての取り得る出力量範囲においてモデルが正確な推定を行なわなければならないことではなく、或る定められた目標出力量範囲においてのみ、例えば内燃機関等が校正されて、特定の入力量に対する特定の出力量(例えば、NO排出やススの排出といったもの)が特定の基準を満たすようにしなければならないことである。従って、目標出力量範囲は分かっているのだが、それと対応関係にある、モデルの入力量は分からない。そのため、これらの入力量を同定し、さらに、モデルのモデルパラメータθを(場合によってはさらに局所モデルの数Iとその効力関数をも)目標出力量範囲に関してパラメータ化する(パラメータを決定する)という実験計画が必要である。 The premise is that the model does not have to make an accurate estimation in all possible output ranges, but only in a certain target output range, for example, the internal combustion engine is calibrated and specified. particular output quantity with respect to the input amount (e.g., those such as nO x emissions and soot emissions) of is that must to meet certain criteria. Therefore, although the target output amount range is known, the input amount of the model corresponding to it is not known. Therefore, these input quantities are identified, and the model parameter θ j of the model is parameterized (determining the parameters) with respect to the target output quantity range (and possibly also the number of local models I and its efficacy function). The experimental design is necessary.

実験計画は、入力量の並び(場合によっては時間的な並びも)であり、それら入力量が、技術的な系の試験台において設定されるとともに技術的な系の所望の出力量がそれに伴い観察ないし測定される。例えばエンジン試験台等の試験台には、内燃機関等の技術的な系が設置され、場合によっては、電気的な動力計等の負荷装置が接続され、試験台ないし技術的な系ないし負荷装置は、実験計画に従って操作される。   The experimental design is a sequence of input quantities (and sometimes a temporal sequence), and these input quantities are set on a technical system test bench and the desired output quantity of the technical system is accompanied by it. Observed or measured. For example, a test system such as an engine test table is provided with a technical system such as an internal combustion engine, and in some cases, a load device such as an electric dynamometer is connected to the test table or a technical system or load device. Are operated according to the experimental design.

実験計画は、或る入力量ベクトル集合Ucandからの入力量ベクトルucandの反復的な選択に基づいている。入力量ベクトル集合Ucandとしては、入力量範囲全体をできるだけ均一にカバーするような、考えられ得る入力量ベクトルucandの任意の集合のいずれもが用いられ得る。入力量ベクトル集合Ucandは、予め決められており、方法プロセスに関しては既知のものと仮定している。 The experimental design is based on an iterative selection of an input quantity vector u cand from a certain input quantity vector set U cand . As the input quantity vector set U cand , any conceivable arbitrary set of input quantity vectors u cand that covers the entire input quantity range as uniformly as possible can be used. The input quantity vector set U cand is predetermined and is assumed to be known with respect to the method process.

一つの入力量ベクトルucandは、実験計画に一度だけ用いることができる。方法プロセスの開始時には、複数の入力量ベクトルustartの集合Ustartが設定される。かくして、各反復ステップにおいては、新たな入力量ベクトルunewは、最初は入力量ベクトル集合Ustartから、次には入力量ベクトル集合Ucandから選択され、これらの入力量ベクトルunewに対する技術的な系の反応は、技術的な系のための試験台1における試験台実験を通じて出力量ynewという形で測定される。既知とされた又は選択された入力量ベクトルuapp(新たな入力量ベクトルunewを含む。)の集合Uapp及び対応関係にある測定された出力量yappの集合Yappは、訓練ユニット2(例えば、ソフトウェア及び訓練実施ための実行アルゴリズムを備えた適格な電子計算機)内において、ローカルモデルネットワーク(LMN)の訓練(Training)のための訓練データ(Trainingsdaten)を形成する。こうして、各反復ステップkにおいて、ローカルモデルネットワーク(LMN)が、これらの訓練データにより訓練される。訓練は、相当数の反復ステップにおいてのみ、ローカルモデルネットワーク(LMN)の変更、例えば、ネットワーク次元Iの変更やモデルパラメータθの変更をも引き起こし得る。モデルが変更される際には、モデルパラメータθ及び場合によっては局所モデルy^(u;θ)の数I並びにその効力関数Φ(x)が、ローカルモデルネットワーク(LMN)の規則に従って更新される。これは、例えば、非特許文献2に記載されているとおりである。 One input quantity vector u cand can be used only once in the experimental design. At the start of the method process, a set U start of a plurality of input quantity vectors u start is set. Thus, at each iteration step, a new input quantity vector u new is first selected from the input quantity vector set U start and then from the input quantity vector set U cand and the technical relation for these input quantity vectors u new The response of a simple system is measured in the form of an output y new through a test bench experiment in the test bench 1 for a technical system. (Including the new input quantity vector u new new.) Known as or selected input quantity vector u app set U app and set Y app of the measured output quantities y app in correspondence of the training unit 2 Training data (Trainingsdaten) for training the local model network (LMN) is formed in (e.g., a qualified electronic computer with software and an execution algorithm for performing training). Thus, at each iteration step k, the local model network (LMN) is trained with these training data. Training can also cause changes in the local model network (LMN), such as a change in network dimension I and a change in model parameter θ j , only in a considerable number of iteration steps. When the model is changed, the model parameter θ j and possibly the number I of local models y ^ j (u; θ j ) and its effectiveness function Φ j (x ˜ ) are determined by the local model network (LMN). Updated according to the rules. This is as described in Non-Patent Document 2, for example.

これにより、目標出力範囲に対する十分に正確なモデルLMNfinが得られるまで、既に選択された入力量ベクトルuappの集合Uappが増え続けるとともに、対応関係にある測定された出力量yappの集合Yappが増え続ける。これは、例えば、訓練データの最大数や閾値(これ以下に目標出力範囲内の平均二乗モデル誤差が収まらなければならない。)といった、適切な停止条件により決めることができる。ここで、新たな入力量ベクトルunewの選択は、次のような方法プロセスで行われる。 Thus, until a sufficiently accurate model LMN fin for the target output range is obtained, the set U app of the already selected input quantity vectors u app continues to increase, and the set of measured output quantities y app that are in a corresponding relationship Y app keeps increasing. This can be determined by appropriate stop conditions such as, for example, the maximum number of training data and a threshold value (the mean square model error within the target output range must fall below this). Here, the selection of a new input quantity vector u new is performed by the following method process.

先ず、各反復ステップkにおける現行のローカルモデルネットワーク(LMN)に基づいて、現行のモデルから推定された出力量y^(ucand)(y^cand)が入力量ベクトル集合Ucandに関して算出される。
次に、この結果から、全ての入力量ベクトルucand,CORが特定されるが、これら入力量ベクトルの推定出力量y^cand,CORは、目標出力量範囲(custom output range, COR)(この範囲は、その境界yminとymaxとによって、COR=[ymin;ymax]によって定義されている。)内に入る。そして、これらの入力量ベクトルは、目標入力量ベクトル集合Ucand,CORに統合される。
First, based on the current local model network (LMN) at each iteration step k, an output quantity y ^ (u cand ) (y ^ cand ) estimated from the current model is calculated for the input quantity vector set U cand. .
Next, from this result, all the input quantity vectors u cand and COR are specified, and the estimated output quantities y ^ cand and COR of these input quantity vectors are defined as a target output quantity range (custom output range, COR) (this The range is defined by COR = [y min ; y max ] by its boundaries y min and y max .) These input quantity vectors are integrated into the target input quantity vector set U cand, COR .

Figure 0006404909
Figure 0006404909

さて次に、この目標入力量ベクトル集合Ucand,CORから、各反復ステップkにおいて、毎回新しい入力量ベクトルunewが選択される。その際に、入力量空間、出力量空間、あるいは入力・出力量空間においてできるだけ均一な分布が得られるようにする。この背景には、ローカルモデルネットワークLMN、つまり概してモデルは、訓練データの近傍においては、訓練データから遠く離れたところに比べて一層正確であるということがある。訓練データができるだけ均一に配分されると、結果としてモデルの不確実性が低減される。こういった理由から、新たな入力量ベクトルunewの選択には、距離に基づいた基準(S最適計画法(S−optimales Design)又は最大最小距離計画法(maximin distance design)としても知られている。)が適用される。この場合、距離に基づいた選択基準の目標は、設計点(Designpunkt)(ここでは、入力量及び/又は出力量)同志の間の最小距離を最大にすることである。これに関しては、以下の三つの距離に基づいた選択基準を定めることができる。 Now, from this target input quantity vector set U cand, COR , a new input quantity vector u new is selected every time at each iteration step k. At that time, a distribution as uniform as possible is obtained in the input quantity space, the output quantity space, or the input / output quantity space. The background is that the local model network LMN, ie the model in general, is more accurate in the vicinity of the training data than at a distance from the training data. If training data is distributed as uniformly as possible, the resulting model uncertainty is reduced. For these reasons, the selection of a new input quantity vector u new is also known as a distance-based criterion (S-optimals design or maximum / minimum distance design). Is applied). In this case, the goal of the selection criterion based on distance is to maximize the minimum distance between the design points (here, input and / or output). In this regard, selection criteria based on the following three distances can be defined.

入力量範囲における距離に基づいた選択基準:
目標入力量ベクトル集合Ucand,CORから、各入力量ベクトルucand,CORが、新たな入力量ベクトルunewとして選択され、このベクトルは、集合Uapp内の既知の入力量ベクトルuappに対する最小のユークリッド距離ができるだけ大きくなるというもので、以下の式が成り立つ。
Selection criteria based on distance in the input volume range:
From the target input quantity vector set U cand, COR , each input quantity vector u cand, COR is selected as a new input quantity vector u new , which is the minimum for a known input quantity vector u app in the set U app . The Euclidean distance becomes as large as possible, and the following equation is established.

Figure 0006404909
Figure 0006404909

この基準は、入力量範囲において、選択された入力量ベクトルの均一な分布をもたらす。   This criterion results in a uniform distribution of the selected input quantity vector in the input quantity range.

出力量範囲における距離に基づいた選択基準:
先ず、現行の有効なモデルを用いて入力量ベクトル集合Ucand,CORに対して出力量y^(ucand,COR)が計算される。新たな入力量ベクトルunewは、以下の出力量を有する。
Selection criteria based on distance in output volume range:
First, the output quantity y ^ (u cand, COR ) is calculated for the input quantity vector set U cand, COR using the current effective model. The new input quantity vector u new has the following output quantities:

Figure 0006404909
Figure 0006404909

つまり、この出力量は、既知の出力量に対する最小のユークリッド距離ができるだけ大きくなるというもので、対応関係にある新たな入力量ベクトルunewは、以下の式により与えられる。 That is, this output amount is such that the minimum Euclidean distance with respect to the known output amount is as large as possible, and a new input amount vector u new having a correspondence relationship is given by the following expression.

Figure 0006404909
Figure 0006404909

この基準は、目標出力量範囲において、出力量の均一な分布をもたらす。   This criterion provides a uniform distribution of the output amount in the target output amount range.

入力量範囲/出力量範囲における距離に基づいた選択基準:
ここでは、既に選択された入力量ベクトルUappが、対応関係にある出力量Yappだけ補われて、
Selection criteria based on distance in input range / output range:
Here, the already selected input quantity vector U app is supplemented by the output quantity Y app having a corresponding relationship,

Figure 0006404909
Figure 0006404909

となり、目標入力量ベクトル集合Ucand,CORは、対応関係にある推定出力量y^(Ucand,COR)だけ補われて、 Thus, the target input quantity vector set U cand, COR is supplemented by the estimated output quantity y ^ (U cand, COR ) that is in a correspondence relationship,

Figure 0006404909
Figure 0006404909

となる。新たな入力量ベクトルunewは、この基準により次のように与えられる。 It becomes. A new input quantity vector u new is given by this criterion as follows.

Figure 0006404909
Figure 0006404909

ここでは、既知の入力量に対する最小のユークリッド距離ができるだけ大きくかつ対応関係にある出力量の、既知の出力量に対する最小のユークリッド距離ができるだけ大きい入力量が求められる。この基準は、入力量範囲における入力量の均一な分布と、目標出力量範囲における出力量の均一な分布とをもたらす。   Here, an input quantity having the smallest Euclidean distance with respect to the known input quantity and the corresponding output quantity having the largest possible Euclidean distance with respect to the known output quantity is obtained. This criterion results in a uniform distribution of input quantities in the input quantity range and a uniform distribution of output quantities in the target output quantity range.

このように訓練されたローカルモデルネットワークLMNfinは、こうして、目標出力量範囲内で所望の精度(選択された停止条件により設定されている。)で技術的な系の出力yを推定することができる。訓練されたモデルネットワーク(LMN)は、こうして、例えば技術的な系の開発のために、例えば、出力量について定められた制限値が守られるように内燃機関の制御ユニットを校正するのに用いることができる。 The local model network LMN fin trained in this way is thus able to estimate the output y of the technical system with the desired accuracy (set by the selected stop condition) within the target output range. it can. A trained model network (LMN) is thus used, for example, for the development of technical systems, for example to calibrate the control unit of an internal combustion engine in such a way that the defined limits for output power are observed. Can do.

図2乃至4により、一次元の入力量uに依存する風呂桶状の関数f(y=f(u))に基づき、さらには、入力量範囲/出力量範囲における距離に基づいた選択基準に基づき、本発明による方法を具体的に示す。この関数fは、入力量範囲u=[0;0.2]及びu=[0.8;1]内で強い非線形の振る舞いを見せるとともに、入力量範囲u=[0.2;0.8]内では略真直ぐである。モデル(ローカルモデルネットワークLMN)が十分正確にパラメータ化されなければならない目標出力量範囲は、例えば、ymin=0.15及びymax=1により定められるものとする。図2中の曲線3により、集合Uapp内の選択された三つの開始入力量ustartを有する開始モデルが示されている。二本の破線が目標出力量範囲の目印となっている。各軸に関して、入力範囲及び出力範囲における点の頻度がバーの形で示されている。方法プロセスに基づいて新たに算出された入力量u-newが図2に同じように示されている。図3には、集合Uapp内の7個の入力量の選択によるモデルと、現行のモデルの反応が出力量yappの形で示されている。図4は、集合Uapp内の11個の入力量の選択によるモデルを示し、このモデルで、プロセスが終了させられる(それ以上新たな入力量u-newが考慮されない。)。図2乃至4より、決められた目標出力量範囲内で方法プロセスがモデルを体系的にパラメータ化(モデルのパラメータを決定)し、その結果、目標出力量範囲の中ではモデルは非常に正確である一方、この範囲の外では不正確であることが分かる。頻度分布より、重要な目標出力範囲に対し、入力範囲及び出力範囲において点の分布が非常に均一であることも分かる(選択された選択基準による。)。加えて、出力関数の二つの弧を均一にカバーできることが分かる。 According to FIGS. 2 to 4, a selection criterion based on a bath tub-like function f (y = f (u)) that depends on a one-dimensional input amount u, and further based on a distance in the input amount range / output amount range. Based on this, the method according to the present invention will be described specifically. This function f shows strong non-linear behavior within the input quantity ranges u = [0; 0.2] and u = [0.8; 1], and the input quantity range u = [0.2; 0.8. ] Is almost straight. The target output quantity range in which the model (local model network LMN) must be parameterized sufficiently accurately shall be defined by, for example, y min = 0.15 and y max = 1. Curve 3 in FIG. 2 shows a starting model with three selected starting input quantities u start in the set U app . Two broken lines are marks of the target output amount range. For each axis, the frequency of points in the input and output ranges is shown in the form of bars. The newly calculated input quantity u- new based on the method process is shown in the same way in FIG. FIG. 3 shows a model based on the selection of seven input quantities in the set U app and the response of the current model in the form of an output quantity y app . FIG. 4 shows a model with selection of 11 input quantities in the set U app, in which the process is terminated (no more new input quantities u- new are taken into account). 2 to 4, the method process systematically parameterizes the model (determines the model parameters) within the determined target output range, and as a result, the model is very accurate within the target output range. On the other hand, it turns out to be inaccurate outside this range. It can also be seen from the frequency distribution that for the important target output range, the point distribution is very uniform in the input range and output range (depending on the selected selection criteria). In addition, it can be seen that the two arcs of the output function can be covered uniformly.

図5乃至7により、距離に基づいた様々な選択基準を、それぞれ11個の選択された入力量により比較する。図5は、目標出力量範囲を用いない従来技術による方法での結果を示す。入力量は、確かに均一に分布しているが、いずれの入力量も目標出力範囲内の出力量でパラメータ化されなかったので、モデルが目標出力量範囲では役立たないことが分かる。図6では、入力量範囲における上述の距離に基づいた選択基準が適用され、その結果、目標出力量範囲内に出力量を持つ4個の入力量が選択される。図7では、出力量範囲における上述の距離に基づいた選択基準が適用され、その結果、目標出力量範囲内に出力量を持つ6個の入力量が選択される。   5-7 compare various selection criteria based on distance with 11 selected input quantities each. FIG. 5 shows the result of the method according to the prior art that does not use the target output amount range. Although the input quantities are certainly evenly distributed, it can be seen that the model is not useful in the target output quantity range because none of the input quantities were parameterized with output quantities within the target output range. In FIG. 6, a selection criterion based on the above-described distance in the input amount range is applied, and as a result, four input amounts having an output amount within the target output amount range are selected. In FIG. 7, a selection criterion based on the above-described distance in the output amount range is applied, and as a result, six input amounts having an output amount within the target output amount range are selected.

図8には、さらに、異なる方法の平均二乗誤差(MSE)が示されている(対数目盛による。)。図中、曲線4は、目標出力量範囲を用いない方法に係るMSEを示し、曲線5は、入力量範囲における距離に基づいた選択基準を用いた方法を、曲線6は、出力量範囲における距離に基づいた選択基準を用いた方法を、そして曲線7は、入力量範囲/出力量範囲における距離に基づいた選択基準を用いた方法を示す。目標出力量範囲を同時に考慮した、距離に基づいた選択基準は、モデル化誤差(Modellfehler)を著しく改善する点で、目標出力量範囲なしの方法と比べてモデルの品質を高めることは明らかである。ここで、定性的には、入力量範囲/出力量範囲における距離に基づいた選択基準が、他の距離に基づいた選択基準よりも優れているようである。
目標出力量範囲を用いたモデルベースの実験計画は、効率的な方法であり、この方法によれば、技術的なプロセスのモデルが目標出力量範囲においてパラメータ化され、それにより入力量範囲が低減し、これが、目標出力量範囲内のモデル品質をより向上するのにつながる。同時に、これにより、同じモデル品質を得るのに要求される試験台実験の必要とされる回数が低減される。
FIG. 8 further shows the mean square error (MSE) of the different methods (according to a logarithmic scale). In the figure, curve 4 shows MSE according to a method not using the target output amount range, curve 5 shows a method using a selection criterion based on the distance in the input amount range, and curve 6 shows a distance in the output amount range. And a curve 7 shows a method using a selection criterion based on the distance in the input quantity range / output quantity range. Clearly, a distance-based selection criterion that simultaneously considers the target output range will improve the quality of the model compared to the method without the target output range in that it significantly improves the modeling error. . Here, qualitatively, the selection criterion based on the distance in the input amount range / output amount range seems to be superior to the selection criterion based on other distances.
Model-based design of experiments using target output ranges is an efficient method, which allows a technical process model to be parameterized in the target output range, thereby reducing the input range. This leads to further improvement of the model quality within the target output amount range. At the same time, this reduces the number of required test bench experiments required to obtain the same model quality.

以下に、特定の回転数と特定の負荷のときに、入力量として、スロットルバルブの状態(S)、燃料圧(p)及び排気再循環(Abgasrueckfuehrung(EGR))(入力量ベクトルu)に依存した、内燃機関(出力量y)のNOx排出の形態による実際例を取り挙げ、本発明による方法を説明する。目標出力量範囲として、NO排出がymin=0.1x10−5Kg/s及びymax=0.4x10−5kg/sに定められる。基礎になるモデル(ここでは、例えばローカルモデルネットワーク(LMN)の形態)は、本発明による方法に基づいて、目標出力量範囲に対して体系的にパラメータ化される。図9において明らかなように、このモデルにより、出力量が本発明による方法によって目標出力量範囲において推定される。図中、曲線8は、11個の選択された入力量に関する結果を、目標出力量範囲を用いない方法について示し、曲線9は、入力量範囲における距離に基づいた選択基準を用いた結果を、曲線10は、出力量範囲における距離に基づいた選択基準を用いた結果を、曲線11は、入力量範囲/出力量範囲における距離に基づいた選択基準を用いた結果を示す。最後に、図10により、一定のスロットルバルブ状態S=0.1及び特定の回転数及び特定の負荷に対して、算出されたモデルにより推定されたNO排出が示されている。 Hereinafter, at a specific rotation speed and a specific load, the input amount depends on the throttle valve state (S), fuel pressure (p), and exhaust gas recirculation (Abgasrueckfuehrung (EGR)) (input amount vector u). The method according to the present invention will be described by taking a practical example of the form of NOx emission of the internal combustion engine (output y). As the target output amount range, NO x emission is set to y min = 0.1 × 10 −5 Kg / s and y max = 0.4 × 10 −5 kg / s. The underlying model (here, for example in the form of a local model network (LMN)) is systematically parameterized with respect to the target output range based on the method according to the invention. As can be seen in FIG. 9, with this model the output quantity is estimated in the target output quantity range by the method according to the invention. In the figure, curve 8 shows the results for the 11 selected input quantities for a method that does not use the target output quantity range, and curve 9 shows the results using the selection criteria based on the distance in the input quantity range. A curve 10 shows a result using a selection criterion based on the distance in the output amount range, and a curve 11 shows a result using a selection criterion based on the distance in the input amount range / output amount range. Finally, FIG. 10 shows the NO x emissions estimated by the calculated model for a constant throttle valve state S = 0.1 and for a specific speed and a specific load.

Claims (5)

入力量ベクトル(u)形式の複数の入力量に非線形に依存する、技術的な系の出力量(y)についてのモデルを算出する方法であって、モデルとして、複数のモデルパラメータを有する一つのモデル構造が設定され、前記モデルパラメータが、前記技術的な系における複数の試験台実験からの測定出力量に基づいて反復法で最適化され、複数の前記試験台実験が実験計画に従って遂行され、当該実験計画は、各反復ステップ(k)について前記モデルの推定出力量(y^)からそれぞれ作成される方法において、
以下の方法ステップ、
現行の前記反復ステップ(k)に対して有効な前記モデルを用いて、複数の入力量ベクトル(ucand)の集合(Ucand)から、推定出力量(y^(ucand))の集合(y^(Ucand))が算出されること、
出力量の当該集合(y^(Ucand))から、予め設定された目標出力量範囲(COR)内の推定出力量(y^(ucand))をもたらす、目標入力量ベクトル集合(Ucand,COR)の目標入力量ベクトル(ucand,COR)が特定されること、
前記目標入力量ベクトル集合(Ucand,COR)から、次の反復ステップ(k+1)のために、新たな入力量ベクトル(unew)が、既に選択された入力量ベクトル(uapp)の集合(Uapp)を補うために選択され、そのときに、前記新たな入力量ベクトル(unew)は、予め定められた、距離に基づいた選択基準に基づいて選択されること、
このように拡張された、選択された入力量ベクトル(uapp)による前記集合(Uapp)が実験計画として用いられることで、試験台実験に基づいて出力量(yapp)の測定データが生成され、当該測定データを用いて前記モデルが最適化されること、が行われ、及び
上記の方法ステップが、設定された停止条件が満たされるまで反復的に繰り返されることを特徴とする方法。
A method for calculating a model for an output quantity (y) of a technical system that depends nonlinearly on a plurality of input quantities in the form of an input quantity vector (u), wherein the model has a plurality of model parameters as a model. A model structure is set, the model parameters are optimized iteratively based on measured output quantities from a plurality of test bench experiments in the technical system, and a plurality of the test bench experiments are performed according to an experiment plan, The experimental design is respectively created from the estimated output quantity (y ^) of the model for each iteration step (k),
The following method steps,
Using the model effective for the current iteration step (k), from a set (U cand ) of a plurality of input quantity vectors (u cand ) to a set of estimated output quantities (y ^ (u cand )) ( y ^ (U cand )) is calculated,
Resulting in the output of the set (y ^ (U cand)) from the estimated output of target output quantity range (COR) which is set in advance (y ^ (u cand)) , the target input quantity vector set (U cand , COR ) a target input quantity vector (u cand, COR ) is specified,
The target input quantity vector set (U cand, COR) from, for the next iteration step (k + 1), a set of new input quantity vector (u new new) is already selected input amount vector (u app) ( U app ), at which time the new input quantity vector (u new ) is selected based on a predetermined distance-based selection criterion;
The set (U app ) based on the selected input quantity vector (u app ) expanded in this way is used as an experiment plan, so that measurement data of the output quantity (y app ) is generated based on the test bench experiment. Wherein the model is optimized using the measured data , and the method steps are repeated iteratively until a set stop condition is met.
請求項1に記載された方法において、既に選択された前記入力量ベクトルの前記集合(Uapp)内の既知の前記入力量ベクトル(uapp)に対してできるだけ大きい最小ユークリッド距離を有する入力量ベクトル(ucand,COR)が、新たな入力量ベクトル(unew)として前記目標入力量ベクトル集合(Ucand,COR)から選択されることを特徴とする方法。 2. A method according to claim 1, wherein the input quantity vector has a minimum Euclidean distance as large as possible with respect to the known input quantity vector (u app ) in the set (U app ) of the input quantity vectors already selected. (U cand, COR ) is selected from the target input quantity vector set (U cand, COR ) as a new input quantity vector (u new ). 請求項1に記載の方法において、目下有効な前記モデルを用いて前記目標入力量ベクトル集合(Ucand,COR)に対して出力量(y^(ucand,COR))が計算され、新たな入力量ベクトル(unew)として入力量ベクトル(ucand,COR)が選択されるときに、その入力量ベクトル(ucand,COR)に対して推定される出力量(y^(ucand,COR))が、既知の出力量(yapp)に対してできるだけ大きい最小ユークリッド距離を有するように前記入力量ベクトル(ucand,COR)が選択されることを特徴とする方法。 The method according to claim 1, wherein an output quantity (y ^ (u cand, COR )) is calculated for the target input quantity vector set (U cand, COR ) using the currently effective model, and a new When the input quantity vector (u cand, COR ) is selected as the input quantity vector (u new ), the output quantity (y ^ (u cand, COR ) estimated for the input quantity vector (u cand, COR ) )) Is selected such that the input quantity vector (u cand, COR ) has the smallest possible Euclidean distance with respect to the known output quantity (y app ). 請求項1に記載の方法において、既に選択された前記入力量ベクトル前記集合(U app が、対応関係にある出力量(Yapp)だけ補われるとともに、前記目標入力量ベクトル集合(Ucand,COR)が、対応関係にある推定出力量(y^(Ucand,COR))だけ補われ、新たな入力量ベクトル(unew)として入力量ベクトル(ucand,COR)が選択されるときに、当該入力量ベクトル(ucand,COR)が、既知の入力量ベクトル(uapp)に対してできるだけ大きい最小ユークリッド距離を有するとともに、前記入力量ベクトル(ucand,COR)と対応関係にある出力量(y^(ucand,COR))が、既知の前記出力量(yapp)に対してできるだけ大きい最小ユークリッド距離を有するように、前記入力量ベクトル(ucand,COR)が選択されることを特徴とする方法。 The method according to claim 1, wherein the set of already selected the input quantity vector (U app), along with supplemented by the output quantity in correspondence (Y app), the target input quantity vector set (U cand , COR ) is supplemented by the estimated output amount (y ^ (U cand, COR )) in the corresponding relationship, and the input amount vector (u cand, COR ) is selected as the new input amount vector (u new ). In addition, the input quantity vector (u cand, COR ) has a minimum Euclidean distance as large as possible with respect to the known input quantity vector (u app ), and has a corresponding relationship with the input quantity vector (u cand, COR ). A minimum Eucli whose output quantity (y ^ (u cand, COR )) is as large as possible with respect to the known output quantity (y app ). The input quantity vector (u cand, COR ) is selected to have a grid distance. 請求項1に記載の方法において、モデルパラメータ(θ)を有する局所モデル(y^(u;θ))並びに対応する効力関数(Φ(x))を所定数(I)有するローカルモデルネットワーク(LMN)がモデルとして用いられ、一の反復ステップ(k)においては、選択された前記入力量ベクトル(uapp)及び測定された前記出力量(yapp)に基づいて、前記局所モデル(y^(u;θ))の前記数(I)、前記モデルパラメータ(θ)及び/又は前記対応関係にある効力関数(Φ(x))が調整されることを特徴とする方法。 2. The method according to claim 1, comprising a predetermined number (I) of a local model (y ^ j (u; θ j )) having a model parameter (θ j ) and a corresponding efficacy function (Φ j (x ˜ )). A local model network (LMN) is used as a model, and in one iteration step (k), based on the selected input quantity vector (u app ) and the measured output quantity (y app ), the local model network (LMN) is used. That the number (I) of the model (y ^ j (u; θ j )), the model parameter (θ j ), and / or the corresponding efficacy function (Φ j (x ˜ )) is adjusted. Feature method.
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